基于89C2051的步進(jìn)電機驅動(dòng)系統設計

摘要： 設計了一種基于89C2051單片機的步進(jìn)電機驅動(dòng)系統。該系統優(yōu)化了電機在不同工作頻率下的能量供給，取得了高頻力矩提升、低頻功耗下降的優(yōu)良效果。

關(guān)鍵詞：   可控電源; 步進(jìn)電機；89C2051

引言

步進(jìn)電動(dòng)機驅動(dòng)方式主要分為恒壓驅動(dòng)、恒流驅動(dòng)、細分驅動(dòng)等，其中恒壓驅動(dòng)是成本最低、最簡(jiǎn)單的解決方案，但是它的顯著(zhù)缺點(diǎn)是：高頻力矩下降較快，無(wú)法滿(mǎn)足某些應用場(chǎng)合的要求。另外，目前市場(chǎng)上幾乎所有的步進(jìn)電機驅動(dòng)器都存在著(zhù)低頻熱耗散大的缺點(diǎn)。在成本壓力較大、對功耗和高低頻力矩都有較高要求的情況下，如何取舍是一件很難抉擇的事情。

本設計通過(guò)一個(gè)低成本可控電源，針對控制頻率的全程范圍，相應輸出若干段電壓，低頻低壓、高頻高壓。同時(shí)，在同一頻率下采用高低壓驅動(dòng)法，在電機啟動(dòng)時(shí)刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓，從而實(shí)現了低成本下的高頻力矩提升、低頻功耗下降的優(yōu)良效果。

硬件設計

系統硬件電路主要由單片機電路、可控電源電路和步進(jìn)電機驅動(dòng)電路構成。單片機采用ATMEL公司的89C2051。實(shí)際應用中，用其P1口低4 位輸出控制信號給可控電源電路，使可控電源輸出不同梯次的驅動(dòng)電壓，當控制信號為“0000”時(shí)輸出電壓最低，控制信號為“1111”時(shí)輸出電壓最高，P1口高4 位用于輸出相序控制信號給四相步進(jìn)電機驅動(dòng)電路，單片機根據控制策略決定驅動(dòng)電壓的高低和相序的變化。

可控電源

可控電源部分主要由LM2576-ADJ、緩沖器、電阻、二極管組成，電路如圖1所示。圖中LM2576-ADJ是一個(gè)降壓型開(kāi)關(guān)穩壓源，其輸出電壓為：

圖1 可控電源電路

其中VH 為緩沖器輸出的高電平電壓，VD 為二極管結壓降，VREF 為參考電壓，Di 為單片機I/O口數字量輸出。電路中采用緩沖器是為了提高高電平輸出的穩定性和電流驅動(dòng)能力，權電阻網(wǎng)絡(luò )在單片機I/O口數字量控制下向VREF 節點(diǎn)提供電流從而改變輸出電壓Vout，二極管的作用是防止控制信號為低電平時(shí)產(chǎn)生反相電流。本設計采用4 位I/O控制信號，形成了4位8級可調電源。

四相步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

圖2所示為四相單極性步進(jìn)電機驅動(dòng)電路，主要由MOSFET、續流二極管、電阻組成。單片機I/O口輸出信號MA、MB、MC、MD為高電平時(shí)，相應的開(kāi)關(guān)管MOSFET導通，Vout向對應的電機繞組供電。電路中為了減小驅動(dòng)元件的壓降，采用了具有低導通電阻特性的MOSFET器件，利用二極管和電阻構成電機繞組的續流回路，避免了MOSFET器件在換相時(shí)由于瞬間電壓過(guò)高而擊穿。

圖2 四項步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

控制方案及軟件設計

為了實(shí)現高頻力矩提升、低頻功耗下降的目的，設計中采用了高低壓驅動(dòng)和驅動(dòng)電壓根據頻率分段而調整相結合的控制策略。

高低壓驅動(dòng)方案

圖3 所示為單片機輸出的步進(jìn)電機相序控制信號 MA、MB、MC、MD與驅動(dòng)電壓Vout的時(shí)序關(guān)系?？刂葡嘈蛞来螢椋篈B→BC→CD →DA→AB...。圖中可見(jiàn),步進(jìn)電機每走一步驅動(dòng)電壓首先變高為Uf，然后再變低為UO，即在電機啟動(dòng)時(shí)刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓。Uf值高于UO值的目的為了使電機保持較高的動(dòng)態(tài)轉矩,經(jīng)過(guò)T1時(shí)間后，驅動(dòng)電壓變成U0，以便給電機提供較低的維持轉矩所需的電流。T1的值是固定的,當頻率較低時(shí)T遠遠大于T1，此時(shí)電源輸出的平均電壓低，功耗也低，電機做的功低。當頻率提高時(shí)，T減小，一個(gè)周期內U0電壓在時(shí)間軸上所占比例減小，電源消耗的功率增大，電機做功較大，當T小于等于T1時(shí)，驅動(dòng)電壓為一個(gè)恒定值Uf。從而實(shí)現了低頻低功耗，高頻高能量供給的優(yōu)化驅動(dòng)模式，避免了常用驅動(dòng)電路低頻熱耗散大的缺點(diǎn)。

圖3 相續控制信號與驅動(dòng)電壓關(guān)系

頻率分段調整驅動(dòng)電壓的控制

實(shí)際應用中，將工作頻率范圍分成若干段，不同頻率段對應不同的驅動(dòng)電壓值，頻率越高驅動(dòng)電壓越大。由于步進(jìn)電機繞組是感性負載，換相過(guò)程中驅動(dòng)回路電流變化率越大，電機的動(dòng)態(tài)響應速度越快，動(dòng)態(tài)轉矩越大。而電流變化率是與驅動(dòng)電壓成正比的。所以本控制方案大大提高了步進(jìn)電機的高頻轉矩。

步進(jìn)電機驅動(dòng)控制軟件

根據上述控制方案，設計了步進(jìn)電機驅動(dòng)程序。根據經(jīng)驗值預先建立了不同段頻率與相應驅動(dòng)電壓控制碼的對應關(guān)系表，并存入系統存儲器。運行過(guò)程中依據當前工作頻率，對應出每步周期T，再通過(guò)查表確定驅動(dòng)電壓控制代碼，并由口P13--P10輸出給可控電源，同時(shí)口P17--P14輸出相序控制信號。另外，驅動(dòng)電壓Uf建立時(shí)間T1決定了高壓輸出在每步驅動(dòng)中所占的比例，T1時(shí)間到，則變成維持電壓U0(低壓)供電，從而實(shí)現了高低壓驅動(dòng)。

應用情況與結果

本控制方案在XL21系列醫用點(diǎn)滴泵中已成功應用。XL21系列原型號醫用點(diǎn)滴泵采用工作電壓為8伏的恒壓驅動(dòng)方案，最高流速可達820ml/hour，在流速500ml/hour以下出現整機發(fā)熱現象?，F型號醫用點(diǎn)滴泵對應0-600ml/hour、600-670ml/hour、670-750ml/hour、750-800ml/hour、800-850ml/hour、850-900ml/hour、900-950ml/hour、950-1000ml/hour 8個(gè)流速段分別采用7.549V、7.868V、8.185V、8.345V、8.664V、8.981V、9.299V、9.616V共8個(gè)梯次電壓驅動(dòng)的方式，使整機發(fā)熱得到很大緩解，同時(shí)最高流速上升到1000ml/hour。圖4為原型號和現型號醫用點(diǎn)滴泵在不同流速下的實(shí)測啟動(dòng)轉矩對比。從圖中可見(jiàn)，原型號泵隨著(zhù)設定流速的提高，輸出轉矩迅速衰減，而現型號泵隨著(zhù)設定流速的提高，由于驅動(dòng)電壓分段提高導致輸出轉矩更加平緩，使得在滿(mǎn)足同等力矩的條件下，流速范圍擴大。

圖4 兩種方案啟動(dòng)轉據對比

進(jìn)電機驅動(dòng)方案與恒壓驅動(dòng)方案相比，低速功耗明顯下降，而高速力矩得到顯著(zhù)提升。在兼顧節能和改善步進(jìn)電機矩頻特性的應用中，該設計是一種性?xún)r(jià)比很好的解決方案。

參考文獻
1.  王松武，常用電路模塊分析與設計指導，清華大學(xué)出版社，2007
2.  張占松、蔡宣三，開(kāi)關(guān)電源的原理與設計(修訂版)，電子工業(yè)出版社，2004(9)
3.  黃繼昌，電源專(zhuān)用集成電路及其應用—集成電路應用叢書(shū)，人民郵電出版社，2006(6)
4.  吳紅星，電機驅動(dòng)與控制專(zhuān)用集成電路及應用，中國電力出版社，2006